บทที่ 7 เส้นใยสมรรถนะสูง (High-Performance Fibers)

ผศ.ดร.อภิชาติ สนธิสมบัติ

หัวหน้าสาขาวิชาวิศวกรรมเคมีสิ่งทอ

ภาควิชาวิศวกรรมสิ่งทอ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มทร.ธัญบุร ี 1

ไลโอเซล (Lyocell)

กระบวนการผลิตเส้นใย วัตถุดิบที่ใชค้ือ เนื้อไม ้ เอมีนออกไซด ์ (Amide Oxide) เป็นตัวท าละลาย เพื่อจะละลายโซ่ของเซลลูโลสโดยตรง ซึ่งจะไม่ท าให้เกิดการท าลายโซ่เซลลูโลส (เหมือนกับกระบวนการผลิตเรยอน) สารละลายทีไ่ด้รับมีสีใส มีความหนืด สารทีม่ีความหนืดถูกกรอง แล้วจึงกดผ่านแว่นกดเสน้ใยลงไปในสารละลายเอมีนออกไซด์ที่เจือจางท าให้เส้นเซลลูโลสที่กดผ่านออกมาตกตะกอนเป็นเส้นใยต่อไป

2

http://sst.umt.edu.pk/newsite/courses/Fall2008/TX-322/Lyocell%20Fibres.pdf

3

การใช้งาน

- 90% สามารถใช้ท าเสื้อผ้าเครื่องแต่งกาย บุรุษ และสตรี บางครั้งใช้กับเสื้อเชิ้ตส าหรับเล่นกอล์ฟ

- สามารถใช้กับเคหะสิ่งทอ หรือสิ่งทอเทคนิค เช่น ตัวกรอง ผ้าเคลือบ ผ้าชุดทหาร เชือก เป็นต้น

- น าไปใช้ท าก้นบุหรี่ ท าให้เกิด Ultra-low tar Cigarettes

- สามารถใช้กับผลิตภัณฑ์ระดับสูง และแบบไมโครไฟเบอร์ ข้อแนะน าในการรักษา

เส้นใยไลโอเซลอาจจะถูกตกแต่งให้ซักล้าง หรือซักแห้งได้ แต่จะต้องดูแลรักษาเสื้อผ้าตามป้ายแนะน า ในการซักล้างต้องซักล้างในสภาวะการซักในครัวเรือน ถ้าซักแห้งไม่ดีท าให้ผ้าหดตัวได้

4

5

6

7

8

เส้นใยอะรามีด (Aramid Fibers) บทน า ค ำว่ำ “อะรำมีด (Aramid)” ได้ถูกก ำหนดขึ้น โดย The Federal Trade Commission ของประเทศสหรัฐอเมริกำ ในปี พ.ศ. 2517 เนื่องจำกเป็นเส้นใยที่ได้มำจำกอะโรเมติกพอลิเอไมด์อย่ำงน้อย 85% ต่อด้วยเบนซีนริงทั้งสองด้ำน (แทนที่จะเป็นโมเลกุลโซ่ตรงๆ – คล้ำยเบนซีนริงในพอลิเอสเตอร์) แทนที่จะเป็นเส้นใยที่มำจำกโซ่โมเลกุลตรงๆ แบบ ไนล่อน เส้นใยอะรำมีด ตัวแรกได้รับจำกบริษัท ดูปองท์ เริ่มออกวำงตลำดในปี พ.ศ. 2508 โดยมีชื่อว่ำ “นอเม็กซ์ (Nomex)” ในตลำดปัจจุบัน พบว่ำมีเส้นใยอะรำมีดอยู่ 2 ชนิด ซึ่งทั้ง 2 ชนิดถือว่ำเป็นเส้นใยสมรรถนะสูง โดยที่ชนิดแรก มีสมบัติในกำรทนทำนควำมร้อน ซึ่งมีหมู่เมต้ำ-อะรำมีดอยู่ แต่มีสมบัติควำมเหนียวปำนกลำง และมีค่ำโมดูลัสต่ ำ อย่ำงไรก็ตำมทนทำนต่อควำมร้อนดีเลิศ (ทนได้ 600-800oC) ใช้ส ำหรับเป็นเสื้อผ้ำทนควำมร้อน และสมบัติเป็นฉนวนกันกระแสไฟฟ้ำ ตัวอย่ำง เช่น เส้นใยนอเม็กซ์ (บริษัท ดูปองท์) และเส้นใยโคเน็กซ์ (บริษัท เทยิน)

9

ชนิดสอง ในช่วง 2513-2523 บริษัท ดูปองท์ ได้ออกเส้นใยชนิดที่สองในตระกูลนี้ โดยมีชื่อว่า “เคฟล่าร์ (Kevlar)” เส้นใยใหม่นี้มีหมู่พาร่า-อะรามีด ท าให้เกิดสมบัติที่ดีขึ้นหลายประการ เช่น ความแข็งแรงสูง ค่าโมดูลัสสูง มีความคงทนต่อความร้อนสูง ภาพ แสดงโครงสร้างทางเคมีของเมต้า-อะรามีด (ซ้าย) และพาร่า-อะรามีด (ขวา)

ภาพ แสดงการเกาะตัวกันของโซ่โมเลกุลของเคฟล่าร์ (เส้นประ หมายถึง พันธะไฮโดรเจน)

10

11 ภำพ แสดงภำพตำมยำวของเส้นใยเคฟล่ำร์ จำกกล้อง SEM www.eng.ysu.edu/~mtegr/ largesems/Kevlar.jpg

12

Several grades of Kevlar are available: 1. Kevlar K-29 – in industrial applications, such as cables, asbestos replacement, brake linings, and body/vehicle armor. 2. Kevlar K49 – high modulus used in cable and rope products. 3. Kevlar K100 – colored version of Kevlar 4. Kevlar K119 – higher-elongation, flexible and more fatigue resistant. 5. Kevlar K129 – higher tenacity for ballistic applications. 6. Kevlar AP – has 15% higher tenacity than K-29 7. Kevlar XP – lighter weight resin and KM2 plus fiber combination 8. Kevlar KM2 – enhanced ballistic resistance for armor applications

13

สมบัติ Kevlar (Dupont) Twaron (AKZO) Technora (Teijin) ความแข็งแรง (gpd/GPa)

21-25/5.65-3.2 21-23/2.6-2.85 24-28/3.0-3.4

โมดูลัส (gpd/GPa) 450-1000/57-127 440-800/54-99 450-850/55-104 ความยาวเมื่อดึงยืด (%) 2-4 3.2-3.8 4.4-4.6 Tg(

oC) 360 - - Tm(oC) เริ่มสลายตัว 560 - >500 ความถ่วงจ าเพาะ 1.44 1.4 1.39 ความเป็นผลึก (%) 72 71 73 การจัดเรียงตัว (%) 91 91 92 ขนาดของผลึก (nO) 49 - 23 ตาราง แสดงสมบัติต่าง ของเส้นใยพาร่า-อะรามีด

14

สมบัติที่เด่นของเส้นใย - ปกติจะมีสีเหลืองตำมธรรมชำติของมัน - ควำมหนำแน่นต่ ำ ท ำให้ผ้ำน้ ำหนักเบำ - ควำมแข็งแรงสูง - ควำมคงทนต่อกำรกระแทกดี - ควำมคงทนต่อกำรขัดถูด ี - ควำมคงทนต่อสำรเคมีด ี - ควำมคงทนต่อกำรสลำยตัวด้วยควำมร้อน - เส้นใยเคฟล่ำร์บำงเกรด อำจจะถูกท ำลำย หรือสลำยตัวด้วยรังสีอัลตรำไวโอเลตได ้ - ควำมคงทนต่อกำรถูกตัด (เหมำะส ำหรับท ำเสื้อป้องกันกำรถูกแทง ส ำหรับต ำรวจ) - กันไฟได้ดี เมื่อติดไฟ จะดับเอง - กำรน ำไฟฟ้ำต่ ำ (เหมำะกับกำรท ำสำยเคเบิล) ฯลฯ

15

การน าไปใช้งาน - ท าเสื้อเกราะกันกระสุน - ท าถุงมือ เสื้อผ้าส าหรับนักขับขี่จักรยานยนต์ - ท าใบเรือ ส าหรับเรือใบ - สายเคเบิลส าหรับไฟเบอร์ออฟติก - ชิ้นส่วนของเครื่องบิน - เสื้อผ้ากันไฟ หมวกกันไฟ ส าหรับนักแข่งรถยนต์สูตร 1 หรือนักผจญเพลิง - เชือก - ยางรถยนต์ ฯลฯ

ภาพ แสดงตัวอย่างการน าเอาเส้นใยอะรามีดไปใช้งาน [29]

16 http://www.miluniform.com/index.asp?PageAction=VIEWPROD&ProdID=3969 http://www.likecool.com/Kevlar_Gloves--Other--Gear.html

http://www.defensereview.com/dupont-kevlar-xp-next-gen-lightweight-aramid-ballistic-fiber-for-body-armor/

17

เส้นใยคาร์บอน (Carbon Fibers) ในปี พ.ศ. 2422 Edison เป็นผู้จดสิทธิบัตรเส้นใยคำร์บอนเป็นครั้งแรกของโลก โดยในครั้งนั้นเป็นกำรผลิตไส้หลอดไฟแสงสว่ำง อย่ำงไรก็ตำมในช่วงปี พ.ศ. 2493-2503 เมื่อมีควำมต้องกำรวัสดุที่มีน้ ำหนักเบำกว่ำเดิมเพื่อใช้ในยำนอวกำศ โดย William Watt และทีมงำนของ Royal Aircraft Establishments ณ เมือง Farnborough ในสหรำชอำณำจักร ในขณะนี้ประเทศที่ผลิตเส้นใยคำร์บอน เช่น ประเทศสหรัฐอเมริกำ แถบยุโรป ญี่ปุ่น เป็นต้น จำกหนังสือ Textile Terms and Definitions ให้ค ำจ ำกัดควำมว่ำ “เป็นเส้นใยที่มีส่วนประกอบของคำร์บอน (โดยกำรควบคุมกำรเผำไหม้ของเส้นใยที่เหมำะสม) อย่ำงน้อย 90%” เส้นใยนี้เป็นเส้นใยที่ประกอบด้วยกรำไฟท์ (Graphite) ซึ่งเป็นฟอร์มของคำร์บอนบริสุทธิ์ ประกอบด้วยวงแหวน 6 เหลี่ยมต่อติดกันเป็นรังผ้ึง

18 ภำพ แสดงส่วนหนึ่งของกรำไฟท์ http://www.carbonfiber.gr.jp/english/

19 ภาพ แสดงกำรจ ำแนกเส้นใยคำร์บอน โดยใช้วิธีจ ำแนกสมบัติเชิงกล http://www.carbonfiber.gr.jp/english/

20 ภาพ แสดงกระบวนกำรผลิตเส้นใยคำร์บอนจำกเส้นใยอะไครโลไนไทล์

http://www.carbonfiber.gr.jp/english/

21 ภาพ แสดงกระบวนกำรผลิตเส้นใยคำร์บอนชนิดพิชท์

22

ภาพ แสดง SEM แสดงภำพตัดขวำงของเส้นใยคำร์บอน

http://www.carbonfiber.gr.jp/english/

23 http://www.boeing.com/commercial/787family/index.html http://www.yellowbullet.com/forum/showthread.php?t=185234

http://www.thaicrazycar.com/?p=496 http://www.ultimatemotorcycling.com/2009_HJC_Motorcycle_Helmet_Color_Carbon_Fiber

24

ข้อควรระมัดระวัง สมบัติของเส้นใย 1. เนื่องจากเส้นใยคาร์บอนเป็นเส้นใยที่เล็กมาก และสามารถแตกหักได้ง่าย โดยการยืด (ไม่เกิน 2% ของการยืด) เมื่อเส้นใยถูกบด หรือท าให้สั้นลง จะเกิดฝุ่นผง ซึ่งง่ายมากในการกระจายไปทั่วบรรยากาศ 2. เนื่องจากเส้นใยมีค่าโมดูลัสสูง และละเอียดมาก เส้นใยไมโครไฟเบอร์อาจจะติดกับผิวหนังมนุษย์ หรือเข้าไปในปอดได้ ท าให้เกิดการทิ่มแทง ท าให้เจ็บปวด ถ้าไม่ทิ้งเส้นใยคาร์บอนให้ถูกวิธี 3. เส้นใยคาร์บอนเป็นเส้นใยที่มีการน าไฟฟ้า ถ้ามีฝุ่นของเส้นใยกระจายไป อาจจะท าให้เกิดการช้อต ของแผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ หรือไฟฟ้าช้อตในอุปกรณ์อื่น ได้ 4. เส้นใยคาร์บอนเป็นเส้นใยที่มีการเผามาแล้วที่อุณหภูมิสูง ดังนั้นการเผาไหม้ธรรมดาไม่ท าลายได้ 5. เมื่อเผาเส้นใยคาร์บอนจะเกิดเถ้าถ่าน จะต้องเก็บให้ถูกวิธี 6. เส้นใยคาร์บอนสามารถเข้ากันได้กับผิวหนังมนุษย์ ดังนั้นจึงสามารถใช้เป็นส่วนประกอบของชิ้นส่วนร่างกายมนุษย์ได้